АСУ ТП или «Человек-Машина»

Как автоматизированные системы помогают человеку управлять сложными объектами

Человечество безостановочно потребляет огромный объем ресурсов и ежесекундно производит колоссальное количество различных продуктов. Мощный поток энергии, питающий современную цивилизацию, требует постоянного контроля. Поэтому сегодня невозможно обойтись без систем, которые хотя бы частично берут на себя управление этим потоком, успешно заменяя человека в ходе контроля за сложнейшими процессами на промышленных предприятиях. Технологический прогресс, в том числе и автоматизация, приводит к снижению издержек в энергогенерирующих отраслях.

Рисунок 1. Есть такая профессия – автоматизировать.

Фактически одновременно с совершенствованием промышленных технологий стали развиваться и системы их автоматизации. Причем во многом в силу того, что пришло понимание, – человек, контролирующий сложнейшие механизмы в ручном режиме, на самом деле является в фабричной цепочке слабым звеном.

Современные высокотехнологичные предприятия требуют исключения так называемого человеческого фактора, зачастую приводящего к критическим сбоям процессов, поломкам дорогостоящего оборудования и авариям. Лучшим решением этой проблемы стала автоматизация, полная или частичная.

Что такое автоматизация? Это существенное снижение непосредственного участия человека в ходе получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и информации (производственных процессов) за счет внедрения технических систем, которые берут на себя часть управленческих функций.

Проще говоря, автоматизация – это когда специальные устройства управляют чем-либо вместо человека. Первые такие устройства были простыми, но очень эффективными. Например, клапан паровой машины для регулирования давления. Или поплавковая система для ограничения уровня воды в резервуаре.

Постепенно с усложнением механизмов многие процессы стало выгодно автоматизировать – ошибок стало меньше, затраты человека на рутинные действия снизились, а безопасность персонала при проведении трудоемких и опасных работ повысилась.

К тому же автоматизация процессов не только облегчила труд людей, но и расширила человеческие возможности. Яркий исторический пример – внедрение конвейерного производства Генри Фордом, позволившее в начале XX века поставить на поток и увеличить выпуск легковых автомобилей.

Постепенно системы автоматического управления, простые и сложные, превратились в неотъемлемую часть нашей жизни, гармонично вписавшись во все сферы, – от бытовых приборов до атомных энергетических станций. Фактически каждый человек, пользующийся благами цивилизации, либо использует результаты труда предприятий, которыми управляют АСУ ТП, либо, сам того не подозревая, периодически становится оператором АСУ ТП. Не верите? Простой пример – обычная стиральная машина. По сути, это самая настоящая автоматизированная система управления технологическим процессом, отвечающая за функцию стирки. Мы запускаем кнопкой стиральную машину, включаем микроволновую печь или настраиваем телевизор на определенное время включения или записи нужной программы – и тем самым управляем встроенными в них АСУ ТП.

Кстати, электроэнергию, которой питается наша высокотехнологичная цивилизация, помогают выработать на энергообъектах и доставить потребителям, то есть нам с вами, сложно устроенные АСУ ТП.

АСУ ТП состоит из трех уровней управления и 22 подсистем:

Верхний уровень: оперативно-диспетчерское управление объектом на основе получаемых данных о состоянии оборудования.

Средний уровень: промышленные логические контроллеры – мозг всей автоматизированной системы.

Нижний уровень:  датчики и сенсоры, контролирующие технологическое оборудование.

Первая в РОСАТОМе полноценная комплексная цифровая АСУ ТП была построена на третьем блоке Калининской АЭС, введенном в эксплуатацию в 2005 году. В рамках проекта были применены современные на тот момент программно-технические средства, создан блочный пульт управления нового поколения, базирующийся на компьютерных технологиях представления информации и управления оборудованием энергетического блока.
Сегодня основным средством контроля и управления стал компьютерный дисплей. У каждого оператора блочного пункта управления шесть или более дисплеев, на которых информация отражается в форме мнемосхем – структуры технологических систем в виде условных символов – мнемознаков. С помощью компьютерных манипуляторов – вроде трекбола или мыши – операторы выполняют навигацию и управляют оборудованием, нажимая виртуальные кнопки. Такие устройства ввода, как джойстики или штурвалы, практически не используются. Операторы АСУ ТП атомной станции контролируют тысячи единиц оборудования, координируют десятки взаимосвязанных процессов, управляют всем этим. Огромный объем задач на производствах задает высочайшую планку для систем, помогающих человеку справляться с обязанностями.

Ежеминутно в систему управления предприятия поступают различные данные от более чем 10 тыс. объектов управления нижнего уровня (датчики, насосы, задвижки и др.), на среднем уровне (контроллеры, низовая автоматика) эти сигналы связываются с другой информацией, – и получается, что миллионы данных обрабатывает АСУ ТП. Все эти данные контролируют не более чем 6–10 работников на пульте управления предприятия в каждой смене.

При решении задач построения АСУ ТП обычно используются специализированные программные пакеты, которые условно можно разбить на две группы:

• 1) CASE-средства (Computer Aided Software Engineering), предназначенные для программирования задач, реализуемых подсистемами нижнего уровня АСУТП на промышленных контроллерах;
• 2) SCADA-системы, которые предназначены для автоматизированного
• конфигурирования АСУ ТП из таких элементов, как микроконтроллеры, компьютеры, технологические станции и т. д. и программирования задач отнесённых к SCADA - уровню.

Нижний уровень - уровень объекта управления (контроллерный) - включает различные датчики (измерительные преобразователи) для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные устройства для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным контроллерам (PLC), которые могут обеспечить реализацию следующих функций:

• - сбор, первичная обработка и хранение информации о состоянии оборудования и параметрах технологического процесса;
• - автоматическое логическое управление и регулирование;
• - исполнение команд с пункта управления;
• - самодиагностика работы программного обеспечения и состояния самого контроллера;
• - обмен информацией с пунктами управления.

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня. В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, интерфейсный контроллер) реализуют различные функции: сбор данных с локальных контроллеров, обработка данных, синхронизация работы подсистем, обмен информацией.

Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП) - включает одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера(оператора). Здесь же может быть размещен сервер базы данных (Web - сервер). На верхнем уровне могут быть организованы рабочие места (компьютеры) для специалистов, в том числе и для инженера по автоматизации (инжиниринговые станции). Часто в качестве рабочих станций используются компьютеры различных конфигураций.

Станции управления (компьютеры операторов) предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи решает программное обеспечение SCADA, ориентированное на разработку и поддержание интерфейса между диспетчером(оператором) и системой управления, а также на обеспечение взаимодействия с внешним миром.

Все аппаратные средства системы управления объединены между собой каналами связи. На нижнем уровне контроллеры взаимодействуют с датчиками и исполнительными устройствами посредством физических линий, а с блоками удаленного и распределенного ввода/вывода - с помощью специализированных сетей.

Связь удаленных контроллеров с контроллерами верхнего уровня (концентраторами) часто реализуется по радио и телефонным каналам. В случае небольших расстояний локальные контроллеры объединяются между собой и с верхним уровнем управляющими сетями на базе витой пары, оптоволокна.

Связь различных АРМ оперативного персонала и специалистов между собой, с контроллерами верхнего уровня, а также с вышестоящим уровнем осуществляется посредством информационных сетей (витая пара, оптоволокно).

Рис. Мир цифры

Уже сейчас ы видим развитие на базе АСУТП многих новых направлений (трендов развития):

*Технологии виртуальной, дополненной и смешанной реальностей

*Развитие человеко-машинного интерфейса

*Искусственный  интеллект

*Предиктивная аналитика

*Цифровые двойники, облачные технологии

Итак, напрашивается вывод:  без грамотной коммуникации невозможно выстроить эффективное взаимодействие не только между людьми, но и в диалоге «Человек-Машина», где определяющую роль играет автоматизированная система. Именно поэтому важно совершенствовать средства автоматизации, делать все чтобы АСУТП были максимально эргономичны, комфортными и безопасными для человека.

И как следствие вышесказанного:

Наша компания «Континент ЭТС» готова предложить для интеграторов систем АСУТП и «цифры-IO»  свои решения по контроллерам «Пролог», «Прогресс» и адаптерам « ioLogiuS».